CN102203974A - 双栅极场效应晶体管和生产双栅极场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双栅极场效应晶体管(1)，包括第一和第二电介质层(6，7)、第一和第二栅电极(9，11)以及由至少一个源电极(3)、至少一个漏电极(4)和至少一个有机半导体(5)构成的组件(2)，其中所述源电极(3)和所述漏电极(4)与所述半导体(5)接触，所述组件(2)位于所述第一电介质层(6)和所述第二电介质层(7)之间，所述第一电介质层(6)位于所述第一栅电极(9)和所述组件(2)的第一侧(8)之间，并且所述第二电介质层(7)位于所述第二栅电极(11)和所述组件(2)的第二侧(10)之间，其中所述有机半导体(5)为有机双极性传导半导体(12)，其在所述组件(2)的第一侧(8)实现至少一个电子注入区域(18)并在所述组件(2)的第二侧(19)实现至少一个空穴注入区域(18)。本发明还包括具有至少一个场效应晶体管的对应的光发射装置、对应的传感器系统和对应的存储装置以及生产对应的双栅极场效应晶体管的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种双栅极场效应晶体管，包括第一和第二电介质层、第一和第二栅电极以及由至少一个源电极、至少一个漏电极和至少一个有机半导体构成的组件，其中源电极和漏电极与半导体接触，组件位于第一电介质层和第二电介质层之间，第一电介质层位于第一栅电极和组件第一侧之间，第二电介质层位于第二栅电极和组件第二侧之间。
背景技术
文献US 2004/0029310A1公开了一种有机场效应晶体管(OFET)，包括上下绝缘体层、两个栅电极以及由源电极、漏电极和有机半导体构成的组件，其中源电极和漏电极与半导体接触。所述组件位于所述上下绝缘层之间，所述上绝缘层位于第一栅电极和组件之间，第二电介质层位于第二栅电极和组件之间。有机场效应晶体管在源电极和漏电极之间实现了多个独立的电流沟道，电流沟道的长度小于一微米(＜1μm)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双栅极场效应晶体管，其特征在于通过调节施加到第一栅电极和/或第二栅电极的偏压可调节特性曲线。
为了实现这个目的，所述有机半导体为有机双极性传导半导体，其在所述组件的第一侧实现至少一个电子注入区域并在第二侧实现至少一个空穴注入区域。这种场效应晶体管为有机双极性传导半导体之内的相反电荷极性的载荷子(电子和空穴)实现两个载荷子沟道，用于双极性电输运。沟道，即电子输运沟道(n沟道)和空穴输运沟道(p沟道)从源电极延伸到漏电极。载荷子沟道优选是横向分层的载荷子沟道。在组件的第一侧和第二侧之间形成pn结。双栅极场效应晶体管适于产生垂直于载荷子沟道的额外电流分量，所述电流分量取决于施加到栅电极的电压。由于相反电荷极性的载荷子(再次)结合，产生该电流分量。可以通过栅电极中的至少一个的偏压控制额外电流分量的幅度。该场效应晶体管适于在不同应用中使用，例如传感器系统、存储装置和光发射装置。
有机双极性传导半导体优选是具有棒状液晶结构的有机双极性传导半导体。棒状液晶由细长，基本棒形的有机分子构成。栅电极优选包括体材料和/或电极层的电极板。
根据本发明的优选实施例，有机双极性传导半导体是有机双极性传导半导体膜。
此外，根据本发明的优选实施例，有机双极性传导半导体膜包括适于实现电子沟道的第一分层区域以及用于实现空穴沟道的第二分层区域。
根据本发明的另一优选实施例，有机双极性传导半导体膜包括适于实现电子沟道的第一层和用于实现空穴沟道的第二层。包括第一层和第二层的有机双极性传导半导体膜为有机双极性传导半导体双层。
有机双极性传导半导体膜的总厚度优选小于20nm，更优选小于10nm。半导体膜的厚度与电子注入区域和/或空穴注入区域的厚度在相同范围中。
此外，根据本发明的更优选实施例，有机双极性传导半导体膜被形成为有机半导体单层或包括有机半导体单层。有机半导体单层优选为有机双极性传导半导体单层。包括有机传导半导体单层的场效应晶体管优选是包括用于双极性传导的自组装单层(SAM)的SAMFET(自组装单层场效应晶体管)。
有机半导体单层是自发形成于衬底上的自组装单层(SAM)。所述衬底优选是栅电极之一和对应电介质层的集合体。三-氯硅烷或三-烷氧基硅烷被用作SAM的结合团。通过在水解衬底表面上与羟基进行缩合反应形成SAM。为了避免缺陷，单功能结合团是至关重要的。在自缩合作用时形成的二聚物不会干扰衬底(栅极电介质)上的自组装单层。半导体分子的核心是由α-取代五噻吩构成的噻吩核心。可以将SAM模型化为具有两个不同电子密度的双(子)层。底部子层对应于脂肪链，顶部子层对应于单层的噻吩核心。两个子层的厚度匹配成1.56nm(脂肪链)和2.06nm(噻吩核心)。这一单层的厚度因此为3-4nm。分子的横向次序是由自组装单原子层中分子之间的分子间π-π耦合导致的。
通常，源电极和/或漏电极是由同样的金属或具有不同逸出功的不同金属制成的金属电极。根据本发明的优选实施例，源电极和/或漏电极为金电极，优选为金电极层。使用常规光刻方法制造金源电极和/或金漏电极。
根据本发明的另一优选实施例，第一电介质层和/或第二电介质层为有机铁电层。因此，双栅极SAMFET作为非易失性存储器而工作。
优选地，场效应晶体管还包括至少一个透射窗口，使得能够从有机双极性传导半导体向晶体管外部区域发射光。由于有机双极性传导半导体之内电子和空穴复合导致的辐射或光可以通过这个窗口离开晶体管。
本发明的另一个方面是一种包括至少一个上述双栅极场效应晶体管的光发射装置，尤其是激光装置。双栅极场效应晶体管的有机双极性传导半导体为有机双极性传导半导体膜，其在组件的第一侧实现至少一个电子注入区域，在第二侧实现至少一个空穴注入区域，其中所述有机双极性传导半导体膜的厚度处于累积层的厚度量级上，优选小于10nm。具体而言，有机双极性传导半导体层是有机双极性传导半导体单层，优选是实现双极性传导的SAM。为了获得横向电荷迁移，单层是高度有序的并尽可能地类似于单晶。这样的装置是自组装单层场效应晶体管(SAMFET)，其中双极性传导半导体为自发形成于栅极电介质上的单层。光发射装置优选是还包括用于产生受激发射的激光腔的激光装置(激光：受激辐射发射的光放大)。
本发明的另一方面是包括至少一个上述双栅极场效应晶体管的传感器系统。第二电介质层的外部外表面包括能够结合到被分析物的受体分子，优选从包括阴离子受体、阳离子受体、芳烃受体、碳水化合物受体、脂类受体、类固醇受体、肽受体、核甘酸受体、RNA受体和/或DNA受体的组中选择。受体分子可以通过共价键、离子键或非共价键，例如范德瓦耳斯相互作用结合到第二电介质层的表面。
通过上述受体分子结合的被分析物表示医疗应用的感兴趣目标。知道这些被分析物的存在或浓度给疾病的形成或发生提供了宝贵的认识。阴离子和阳离子不限于简单的类别，例如碱、碱土、卤化物、硫酸盐和磷酸盐，而且扩展到像细胞中的代谢过程期间形成的氨基酸或羧酸那样的物质。如果怀疑有例如像多环芳烃(PAH)的致癌芳烃，可以采用芳烃受体。可以在治疗糖尿病那样的领域中使用碳水化合物受体。如果要研究与脂肪过多相关的代谢疾病，可以应用脂类受体。对类固醇激素敏感的类固醇受体可用于各种指示领域，包括妊娠试验和商业体育中的兴奋剂检查。检测缩氨酸、核苷酸、RNA和DNA对于研究和治疗遗传性疾病和癌症而言是重要的。
在被分析物结合到受体分子时，可以观测到受体分子偶极矩的变化。这又导致控制源电极和漏电极之间电流的电场的变化。因此，可以观测到信号并与被分析物相关。尽管这种特性最容易与带电被分析物相关联，但在诸如生理水溶液的周围极性介质中检测不带电被分析物也是可能的。在中性被分析物结合到受体分子时，从受体分子或表面替换了水分子。这导致受体分子或电介质的介电常数的变化。
本发明的另一个方面是一种包括至少一个上述双栅极场效应晶体管的存储装置。根据所用材料的选择和几何结构，可以直接将场效应晶体管用作存储器。在优选实施例中，将场效应晶体管的至少一个电介质层选作有机铁电物质。双栅极场效应晶体管作为非易失性存储器而工作。
本发明的又一方面是一种生产双栅极场效应晶体管的方法，所述方法包括以下步骤：
-向栅电极的表面施加电介质层；
-利用至少一个光刻掩模向电介质层施加源电极和漏电极；
-激活至少所述源电极和所述漏电极之间的有源区中的电介质层；
-利用半导体分子溶液润湿电介质层、栅电极、源电极和漏电极的集合体以在所述有源区中形成自组装半导体单层；
-向所述自组装半导体单层施加另一电介质层；以及
-向另一电介质层施加另一栅电极。
根据本发明的优选实施例，自组装半导体单层是自组装双极性传导半导体单层。
优选利用热生长/蒸镀或溅射执行电介质层、源电极、漏电极和/或栅电极的施加。
电介质层中的至少一个优选为热生长于栅电极上的SiO2层。所述栅电极优选是掺杂的Si单晶(晶片)。源电极和/或漏电极为金电极，尤其是金层(金接触层)。优选通过氧等离子体处理，继之以酸水解来激活所述有源区中的电介质层的表面。
根据本发明的优选实施例，通过将衬底浸入半导体分子的干甲苯溶液中实现集合体的润湿。在形成自组装半导体单层之后，彻底漂洗并干燥衬底。
对于形成为基于噻吩的有机双极性传导半导体单层的膜，优选将另一电介质层构建为聚异丁基单丙烯酸酯(PIBMA)薄膜，其中薄膜的厚度优选介于300nm和600nm之间。对于包括有机传导半导体单层和第二薄层(尤其是薄二萘嵌苯层)(所述薄层覆盖有机双极性传导半导体单层)的膜，使用正交溶剂形成另一电介质。在这种情况下，像FC40的氟化溶剂是适当的。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。
在附图中：
图1示出了根据本发明的双栅极场效应晶体管的示意器件几何结构的垂直截面图；
图2示出了根据本发明第一实施例的自组装半导体单层(SAM)的化学结构和自组装半导体单层场效应晶体管(SAMFET)的传递曲线；
图3示出了针对相对于施加到第一栅电极的偏压的施加到第二栅电极的不同偏压，双栅极自组装半导体单层场效应晶体管(SAMFET)的传递曲线；以及
图4示出了针对相对于施加到第二栅电极的偏压的施加到第一栅电极的不同偏压，双栅极自组装半导体单层场效应晶体管(SAMFET)的传递曲线。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的双栅极场效应晶体管1，包括由源电极3、漏电极4和有机半导体5构成的组件2。在组件2之内，源电极3和漏电极4与所述半导体5接触。组件2位于第一电介质层6和第二电介质层7之间。第一电介质层6位于第一栅电极9和组件2之间，组件2的第一侧(图1中的底侧)8下方。第二电介质层7位于第二栅电极11和组件2之间，组件2的第二侧(图1中的上侧)10上方。有机半导体5是形成为有机双极性传导半导体膜13的有机双极性传导半导体12，更确切地说是有机双极性传导自组装半导体单层14。有机双极性传导半导体膜13由被界面17分开的两个分层区域15、16构成。第一分层区域15(图1实施例中的底部区域)实现了组件2第一侧8的电子注入区域18，第二分层区域16(图1实施例中的上方区域)实现了组件2第二侧10的空穴注入区域19。或者，底部区域是实现空穴注入区域19的第二分层区域16，上方区域是实现电子注入区域18的第一分层区域15。在区域15，16之间，在界面17处形成pn结。
优选地，第二电介质层7被形成为电介质SiO2层。在这种构造中使电荷俘获问题最小化，空穴和电子可以移动通过有机双极性传导半导体12，而由电介质层6、7导致的问题得到最小化。
图1中所示的场效应晶体管优选用于根据本发明的光发射装置20中。有机双极性传导半导体13使得能够在底侧(第一侧8)注入电子，在顶侧(第二侧10)注入空穴。载荷子累积区的厚度处在有机双极性传导半导体膜13的厚度量级。在这种情况下，施加到栅电极9、11的偏压导致电子注入到组件2第一侧8的电子注入区域18中，空穴注入到组件2第二侧10的空穴注入区域19中。由于有机双极性传导半导体膜13的厚度低于10nm，累积在半导体膜13两侧8、10的电子和空穴的波函数交叠，电子和空穴能够彼此复合。这种复合是一种辐射复合。通过增加栅电极9、11之间的偏压，可以增大注入的载荷子(电子和空穴)的密度，导致受激的光发射。因此，可以使用具有厚度小于10nm的有机双极性传导半导体膜13的场效应晶体管1进行光发射，甚至执行受激辐射发射的光放大(激光)。
产生光的先决条件是组件2两侧累积的电子和空穴的波函数交叠。这意味着有机双极性传导半导体12的厚度应当大约处于累积层的厚度量级。这一层的厚度的量级为几纳米(nm)。为了获得横向电荷迁移，单层应当是高度有序的。它应当尽可能地类似于单晶。
根据本发明的优选实施例，双栅极场效应晶体管是自组装单层场效应晶体管。这是一种半导体是自发形成于电介质层之一上的单层的场效应晶体管。因此，第一步是制造功能性SAMFET。下一步是在相对侧上制造第二栅极电介质和第二栅电极，以形成双栅极。
生产双栅极SAMFET的方法包括以下步骤：
-向栅电极9、11的表面施加电介质SiO2层；
-利用至少一个光刻掩模向电介质SiO2层施加金源电极(层)3和金漏电极(层)4；
-通过氧等离子体处理并继之以酸水解，至少在源电极3和漏电极4之间的有源区中激活电介质层6、7；
-将电介质层6、7、栅电极9、11、源电极3和漏电极4的集合体浸入半导体分子的干甲苯溶液中，以在有源区中形成自组装双极性传导半导体单层；
-向自组装双极性传导半导体单层14施加另一电介质层7、6，其中优选将所述其他电介质层7、6构建为聚异丁基单丙烯酸酯(PIBMA)薄膜，其中薄膜的厚度优选介于300nm和600nm之间，以及
-向另一电介质层施加另一栅电极11、9，优选为金栅电极。
图2中给出了半导体分子的化学表达式21(化学结构)，双栅极SAMFET(自组装单层场效应晶体管)的典型自组装有机双极性传导半导体单层14的传递曲线22、23。该图示出了具有四十微米(40μm)恒定沟道长度和一千微米(1000μm)沟道宽度的SAMFET的传递曲线22、23(漏极-源极电流Ids相对于施加到第一栅电极9的栅极电压Vg1)。第一条传递曲线22表示使用-2伏(-2V)漏极偏压的传递特性，第二条传递曲线23表示使用-20伏(-20V)漏极偏压的传递特性。
图2左侧的第一插图示出了双极性传导自组装单层形成的一种有机分子的化学表达式21。底部是脂肪链24，顶部是噻吩核心元素25。具有其脂肪链24和噻吩核心元素25的多个平行取向分子形成双极性传导自组装单层14(棒状液晶)。
右侧的第二插图示出了曲线26，表示作为源电极3和漏电极4之间0到40微米(0-40μm)区域中沟道长度的函数的载荷子(电子和空穴)的线性迁移率。
图3示出了针对相对于施加到第一栅电极9的偏压的施加到第二栅电极11的不同偏压，双栅极自组装半导体单层场效应晶体管(SAMFET)的传递曲线(扫略双栅极SAMFET的底栅极)。从左至右，从20到-20V，以10V(伏)步长固定施加到第二栅电极11的偏压。
图4示出了针对相对于施加到第二栅电极11的偏压的施加到第一栅电极9的不同偏压，双栅极自组装半导体单层场效应晶体管(SAMFET)的传递曲线(扫略双栅极SAMFET的顶栅极)。从左至右，从20到-20V，以10V步长固定施加到第一栅电极9的偏压。
图3和图4支持如下事实：可以由两个栅极独立调节空穴和电子的输运。因此可以调谐针对两个沟道，即空穴沟道和电子沟道的电流-电压(I-V)特性。这对于获得最大的电荷复合是理想的。为了获得发射，甚至是放大的受激发射，这是重要的。
尽管已经在附图和上述说明中详细示出和描述了本发明，但是应当将这样的图示和说明看作是示范性或示例性的，而不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、说明书和所附权利要求书，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被视为具有限制范围的作用。
Claims (15)
1.一种双栅极场效应晶体管(1)，包括第一和第二电介质层(6，7)、第一和第二栅电极(9，11)以及由至少一个源电极(3)，至少一个漏电极(4)和至少一个有机半导体(5)构成的组件(2)，其中
-所述源电极(3)和所述漏电极(4)与所述半导体(5)接触，
-所述组件(2)位于所述第一电介质层(6)和所述第二电介质层(7)之间，
-所述第一电介质层(6)位于所述第一栅电极(9)和所述组件(2)的第一侧(8)之间，并且
-所述第二电介质层(7)位于所述第二栅电极(11)和所述组件(2)的第二侧(10)之间，
其特征在于所述有机半导体(5)是有机双极性传导半导体(12)，其在所述组件(2)的第一侧(8)实现至少一个电子注入区域(18)并在所述组件(2)的第二侧(19)实现至少一个空穴注入区域(18)。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机双极性传导半导体(12)为有机双极性传导半导体膜(13)。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机双极性传导半导体膜(13)包括适于实现电子沟道的第一分层区域(15)以及用于实现空穴沟道的第二分层区域(16)。
4.根据权利要求2所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机双极性传导半导体膜(13)包括适于实现电子沟道的第一层以及用于实现空穴沟道的第二层。
5.根据权利要求2所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机半导体膜(13)的厚度低于20nm，优选低于10nm。
6.根据权利要求2所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机双极性传导半导体膜(13)是有机半导体单层或者包括有机半导体单层。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机半导体单层是自组装半导体单层(14)。
8.根据权利要求1所述的场效应晶体管(1)，其中所述第一电介质层(6)和/或所述第二电介质层(7)是有机铁电层。
9.根据权利要求1所述的场效应晶体管(1)，其中所述晶体管(1)还包括至少一个透射窗口，该透射窗口使得能够从所述双极性传导半导体(12)发射光。
10.一种光发射装置(20)，尤其是激光装置，包括至少一个根据权利要求1到9中的任一项所述的场效应晶体管(1)。
11.一种传感器系统，包括至少一个根据权利要求1到8中的任一项所述的场效应晶体管(1)。
12.一种存储装置，包括至少一个根据权利要求1到8中的任一项所述的场效应晶体管(1)。
13.一种生产双栅极场效应晶体管(1)的方法，包括如下步骤：
-向栅电极(9，11)的表面施加电介质层(6，7)；
-利用至少一个光刻掩模向所述电介质层(6，7)施加源电极(3)和漏电极(4)；
-激活至少所述源电极(3)和所述漏电极(4)之间的有源区中的电介质层(6，7)；
-利用半导体分子溶液润湿电介质层(6，7)、栅电极(9，11)、源电极(3)和漏电极(4)的集合体，以在所述有源区中形成自组装半导体单层(14)；
-向所述自组装半导体单层(14)施加另一电介质层(7，6)；以及
-向所述另一电介质层(7，6)施加另一栅电极(11，9)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中优选通过氧等离子体处理、继之以酸水解来激活所述有源区中的电介质层(6，7)的表面。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中通过将所述集合体浸入所述半导体分子溶液中进行对所述集合体的润湿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110928 |